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[SPRESENSE 2026]TVに出力したにょ[CVBS]

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(MIT) The MIT License

# CVBS on SPRESENSE ― 5年越しのアナログビデオ出力 ## はじめに SPRESENSE で CVBS（コンポジットビデオ）信号を生成し、ブラウン管テレビやアナログモニターに映像を映すことに成功しました。 「SPRESENSE CVBS」をキーワードに検索しても、日本語・英語問わずまとまった実装例が見当たりません。おそらく**世界初の実装**です。 この記事では、実装に至るまでの経緯と、コードの仕組みを解説します。 --- ## ここまで 5年かかった ― CVBS on SPRESENSE 最初にSPRESENSE（Sony の ARM Cortex-M4F マイコンボード）でアナログビデオ出力に挑戦し始めたのは約5年前のことです。 ### なぜ難しいのか CVBS（NTSC）信号には厳格なタイミング要件があります。 | 項目 | 値 | |------|-----| | 水平周波数 | 15.734 kHz | | 垂直周波数 | 59.94 Hz | | 総ライン数 | 262ライン（フレームあたり） | | 水平周期 | 約 63.5 µs | 1ラインごとに同期パルス・映像信号を**マイクロ秒単位の精度**で生成し続けなければなりません。割り込みの遅延やキャッシュの影響で信号が乱れ、何度も画面が崩れてきました。 ### ブレークスルー SPRESENSE のタイマー割り込みを `60 µs` 固定で刻むことで **16.09 kHz** の安定した水平同期を実現。さらに ARM の **インラインアセンブリ NOP ループ**で映像ピクセルのタイミングを精密に合わせることで、ついに安定した映像出力を達成しました。 --- ## アーキテクチャ ― MainCore / SubCore1 SPRESENSE の最大の特徴の一つが**マルチコア（MP）機能**です。本実装ではこれを最大限に活用しています。 ``` ┌─────────────────────────────┐ │ SPRESENSE │ │ │ │ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │ │ │ MainCore │ │SubCore1 │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ CVBS信号 │ │ シリアル │ │ │ │ 生成専念 │ │ 通信など │ │ │ └────┬─────┘ └──────────┘ │ │ │ 共有VRAM │ └───────┼─────────────────────┘ │ D6: SYNC_PIN D7: VIDEO_PIN │ ┌────▼────┐ │ RCA端子 │ └─────────┘ ``` ### MainCore（SubCore1.hpp / CVBS信号生成） MainCore はビデオ信号生成に**完全に専念**します。`loop()` は 1ライン分の処理を延々と繰り返すだけです。 ```cpp void loop() { int line; WAIT_LINE(line); // タイマー割り込みで次のラインを待つ PROCESS_LINE(line); // そのラインの信号を出力 } ``` ### SubCore1（MainCore.hpp） SubCore1 はシリアル通信など MainCore を邪魔しない処理を担当します。現在はシンプルに `MP.begin(1)` で起動するのみです。 ```cpp void setup() { Serial.begin(115200); MP.begin(1); } ``` ### ビルド振り分け エントリポイント `3rd03.ino` は `#ifdef SUBCORE` でコアを自動判別します。1つのスケッチで MainCore / SubCore1 両方をビルドできる、SPRESENSE らしいスマートな構成です。 ```cpp #ifdef SUBCORE #include "SubCore1.hpp" #else #include "MainCore.hpp" #endif ``` --- ## マクロ多用 ― タイミングを守るための設計 CVBS 生成でもっとも重要なのは**タイミングの正確さ**です。関数呼び出しのオーバーヘッドすら信号の乱れにつながるため、本実装はクリティカルな処理をすべてマクロで記述しています。 ### ポート直接操作 `digitalWrite()` は遅すぎます。`portOutputRegister()` でポートアドレスを直接取得し、1命令で出力します。 ```cpp volatile uint8_t *portSync = portOutputRegister(digitalPinToPort(SYNC_PIN)); volatile uint8_t *portVideo = portOutputRegister(digitalPinToPort(VIDEO_PIN)); #define SYNC_LO (*portSync = 0) #define SYNC_HI (*portSync = 1) #define VIDEO_LO (*portVideo = 0) #define VIDEO_HI (*portVideo = 1) ``` ### NOP ディレイ（インラインアセンブリ） C の `delayMicroseconds()` では精度が足りません。ARM の `nop` 命令を正確なループで刻みます。 ```cpp #define NOP_DELAY(n) do { \ uint32_t count = (n); \ __asm__ volatile ( \ "1: nop \n\t" \ "subs %0, %0, #1 \n\t" \ "bgt 1b" \ : "+r"(count) : : "cc" \ ); \ } while (0) ``` ### 1バイト 8ビット展開マクロ 1ピクセル = 1ビットの映像データをピンに送り出します。ループを使わず**8ビットをマクロで完全展開**することで、毎ビット同じサイクル数を保証します。 ```cpp #define VIDEO_BIT(b, bit) (*portVideo = (((b) & (bit)) ? 1 : 0)) #define SEND_BYTE(b) do { \ VIDEO_BIT(b, 0x80); VIDEO_BIT(b, 0x40); \ VIDEO_BIT(b, 0x20); VIDEO_BIT(b, 0x10); \ VIDEO_BIT(b, 0x08); VIDEO_BIT(b, 0x04); \ VIDEO_BIT(b, 0x02); VIDEO_BIT(b, 0x01); \ } while(0) ``` ### ライン種別の振り分け 262ライン全体を NTSC 規格どおりに振り分けます。 ```cpp #define PROCESS_LINE(line) do { \ if ((line) < 3) { DO_EQUALIZING; } \ // 等化パルス else if ((line) < 6) { DO_VSYNC; } \ // 垂直同期 else if ((line) < 9) { DO_EQUALIZING; } \ // 等化パルス else if ((line) < 21) { DO_BLANK; } \ // ブランク else if ((line) < 21 + VRAM_H) { DO_VIDEO((line)-21); } \ // 映像 else { DO_BLANK; } \ // ブランク } while(0) ``` ### VRAM 構成 ``` 解像度: 192 × 168 ピクセル（1bit/pixel） VRAM: 24 バイト × 168 ライン = 4,032 バイト ``` `volatile` 修飾された共有 VRAM を MainCore / SubCore1 の両コアから参照できます。 ### 3×5 ピクセルフォント（Font35.hpp） テキスト表示用に 3×5 の極小フォントを自作しています。1文字を `uint16_t` 15ビットで表現するコンパクトな設計です。 ```cpp static const uint16_t font3x5[94] = { ... 0b111101111101101, // 'A' 0b110101110101110, // 'B' ... }; ``` --- ## 実際の画像 映像出力の画面キャプチャです。 @[x](https://x.com/chrmlinux03/status/2064546991183720490) 画面には以下が表示されています。 ``` CVBS ON SPRESENSE [0] 192 X 168 ``` カウンタ（`[0]`〜`[9]`）がインクリメントされ、映像が**リアルタイムで更新**されていることを確認できます。 --- ## さいごに 5年越しの挑戦がようやく実を結びました。 SPRESENSE の強みである**マルチコア・高精度タイマー・ARM Cortex-M4F の速度**を組み合わせることで、外部チップなしの純粋なソフトウェア CVBS 生成を実現できました。 今後の展望としては以下を考えています。 - グレースケール対応（抵抗ラダーによる多値出力） - SubCore1 からの動的描画 - PAL 対応 コードは近日 GitHub に公開予定です。何か質問があればコメントどうぞ！ いつもご清聴ありがとうございます ---